JP2007024323A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ等の排出量を増加させることなく、排ガス中の主要な未燃分であるＣＯのみならず、微量のＶＯＣの濃度を低減するボイラを提供すること。
【解決手段】火炉１の前後の対向する壁面の下方に空気比を１未満にした一段以上のバーナ２を配置し、その後流側（火炉１上方）の前後壁に二次燃焼用空気供給口３を配置する。火炉前後壁の両側の対向する側壁面には二次燃焼用空気供給口３と同じ高さ、又はそれより少し低い位置に、ガス流れと交わる方向（略水平方向）に伸びた突起物１１を設置する。この突起物１１により、バーナ２で燃料の燃焼により生成して側壁に沿って上昇する高濃度の未燃分を含んだガスの流れが上昇を妨げられ、火炉１の内側方向に向かうため、未燃分が最寄りの二次燃焼用空気の流れに接触することにより酸化され、ＶＯＣとＣＯの濃度が共に火炉１の出口４に至るまでに偏在することなく低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラの火炉に係り、特に排ガス中の一酸化炭素、揮発性有機化合物等の未燃分を低減するのに好適な、火炉構造に関する。

従来技術によるボイラ火炉内の構造の側面及び正面から見た模式図をそれぞれ図４（ａ）と図４（ｂ）に示す。
図４に示すような火炉１の比較的下方に複数のバーナ２を設置し、その上部（バーナ２からのガス流れの後流）に空気供給口３を設置して二段燃焼法による燃料を燃焼させる構成は、近年、多くの事業用又は産業用ボイラで採用されている。

前記二段燃焼法はバーナ２に供給する空気量を理論空気量よりも少なくして、火炉１内に還元雰囲気を形成し、バーナ２での燃料の燃焼で発生した窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）をＮ₂に還元することにより低減する。そして燃料の完全燃焼に不足する空気をバーナ２の後流側の二段燃焼用空気供給口３から別途供給する。二段燃焼用空気が供給された後は、火炉１全体としての空気量が理論空気量以上（空気比１以上）となり、石炭燃焼の場合には火炉出口４でのＯ₂濃度が３％前後になるように制御される。火炉出口４手前の火炉１内にはノーズ部５と呼ばれるガス流路が狭くなった部分があり、高温のガスが伝熱管群６に接触せずに火炉１から流出するのを防いでいる。

このような二段燃焼法では、還元雰囲気のバーナ２の設置部分で多量の未燃分及び還元物質が発生する。未燃分としては一酸化炭素（ＣＯ）が代表的であるが、最近は光化学オキシダントの一因ともなる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）も注目されている。ＮＯｘの発生を抑制しつつ、前記未燃分をバーナ２の後流側に供給する二段燃焼用空気で酸化させ、いかに低減するかが重要である。

図４に示すような、バーナ２を火炉１の前後壁に設置して燃料を対向位置で燃焼させる対向燃焼においては、前後壁からのバーナ火炎が衝突して未燃分を含んだガスが周辺に広がる。横に並んだバーナ２同士の間では、互いのバーナ２から出た前記ガスが混合して比較的均一となるが、最も側壁寄りのバーナ２同士では該バーナ２からの火炎が衝突した後にバーナ２を設置していない火炉壁である側壁側に流れ、未燃分が側壁に沿って高濃度のまま上昇し、二次燃焼用空気の流れに接触せずにすり抜ける場合がある（図８参照）。

こうした未燃物質がボイラからそのまま排出されるのを防ぐために、以下のような方法が実用化されている。すなわち、図４（ｂ）に示した最も側壁寄りの二段燃焼用空気供給口３Ａからの空気量を増加する運用を行う構成、又は図５（図５（ａ）の火炉１内の構造を示す側面図と図５（ｂ）の正面図）に示したように、通常の二段燃焼用空気供給口３の他に側壁近くに二段燃焼用空気供給口３Ｂを増設した構成、更に図６（図６（ａ）の火炉１内の構造を示す側面図と図６（ｂ）の正面図）に示したようにバーナ２と通常の二段燃焼用空気供給口３との間であって側壁に近い位置に空気供給口３Ｃを通常の二段燃焼用空気供給口３の他に設けた構成等である。

排ガス中の主要な未燃分であるＣＯの濃度は通常数十〜数百ｐｐｍであるのに対し、ＶＯＣ濃度は一般に数ｐｐｍと低い。しかし、ＶＯＣ濃度が規制される場合も数ｐｐｍのレベルと低いため、シビアな抑制が必要となる。

ところが、ＶＯＣの濃度変化の傾向は代表的な未燃分であるＣＯと必ずしも一致しないことが、実測により確認された。図７に示すように、バーナ火炎７中では、バーナ２の中心軸方向のＣＯの濃度変化が小さいのに対し、ＶＯＣは特にバーナ２中心軸付近でＶＯＣ濃度が高く、周辺領域ではほとんど検出されない。このため、図８に示すように、前記前後壁のバーナ２、２による対向燃焼方式のバーナ火炎７が衝突した場合、側壁中心部８、８側にＶＯＣが集まりやすく、当該中心部８で特にＶＯＣ濃度が高くなる。そして、この高ＶＯＣ領域にまで二次燃焼用空気が到達しなければ、ＶＯＣは酸化されないまま側壁に沿って上昇し、火炉１から排出される。

従って、火炉出口４あるいは煙突における平均ＣＯ濃度を低減できたからといって、ＶＯＣ濃度も同様に低減できるとは限らない。ＶＯＣを効率よく低減するためには、二段燃焼用空気を供給する際、ＣＯを対象とするときよりも一層確実に、側壁中心部８まで空気を到達させる必要がある。

なお下記特許文献１にはボイラ火炉で生じた燃焼排ガスの流路となる副側壁の底壁上部に燃焼ガス流路の幅方向全体に亘って、燃焼ガス流に対向する方向に突起物を配置してガスのすり抜け、ガス偏流を防ぐ構成が開示されている。しかし前記特許文献１の発明はボイラ火炉内のガスのすり抜け防止用の突起物ではない。
特開平１１−２４８１０４号公報

前述の従来技術においては、以下のような課題がある。
図４に示した側壁側の二段燃焼用空気供給口３Ａからの空気量を増加する方法では、側壁側の空気量が増加した分、中心側の他の供給口３Ｄからの空気を減少させる必要がある。供給口３Ｄからの空気量を減少させなければ、全空気量が増加し、火炉出口４の空気比が増加してＮＯｘの増加、あるいは空気供給ファンの容量増加につながるためである。

しかし、前記空気供給口３Ａと空気供給口３Ｄへの空気量配分の変化は、側壁付近の未燃分（ＣＯとＶＯＣ）のすり抜けを防止することができる反面、火炉１中央部での未燃分のすり抜けを生じてしまう可能性がある。

図５に示したように、二段燃焼用空気供給口３Ｂを側壁近くに増設した場合、全空気量を変化させないために、空気供給口３、３Ｂの１つ当たりの空気量を減少させることになる。そこで、火炉１中心部まで空気を到達させるためには空気供給口３、３Ｂの断面積を小さくして流速を上げる必要が生じるが、その結果、供給口３、３Ｂごとの空気の流れが細くなるため、空気供給口３、３Ｂ同士の間にスリット状のすり抜けが生じるおそれがある。

図６に示したように、バーナ２と通常の二段燃焼空気用の空気供給口３との間に増設した空気供給口３Ｃから空気を供給する場合、図５の従来技術同様、空気供給口３、３Ｃごとの空気量が少なくなるだけでなく、空気供給口３Ｃからの空気によって、バーナ２と二段燃焼用空気供給口３との間に形成される還元領域が縮小され、排ガス中のＮＯｘ濃度の低減効果が小さくなることが予想される。

このように、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減するために火炉１内に還元領域を作ることにより、未燃分を発生させても火炉出口４までの高温領域でガスを良好に混合できずに、前記未燃分がすり抜けてしまった場合、火炉出口４以降ではガスの混合も起こりにくい上、各種伝熱管類による熱回収によりガス温度が急低下するため、それ以上酸化される機会がない。ＶＯＣは沸点の低いガスであるため、脱硝装置、電気集塵機、脱硫装置といった排ガス処理設備でほとんど捕集されることなく、煙突から大気中へ排出されてしまう。

本発明の課題は、上述のような従来技術の課題に対し、ＮＯｘ等の排出量を増加させることなく、排ガス中の主要な未燃分であるＣＯのみならず、微量のＶＯＣの濃度を低減するボイラを提供することである。

本発明の上記課題は、次の解決手段により解決される。
請求項１記載の発明は、火炉内に空気比を１未満（理論空気量より少ない空気供給量）にした一段以上のバーナを設けたバーナ段と、バーナからのガス流れの後流側に一段以上の空気供給口を設けた空気供給口段を有するボイラにおいて、バーナ段から火炉出口までの間の火炉壁内面に、ガス流れを妨げる方向に伸びた突起物を１つ以上設置したことを特徴とするボイラである。

請求項２記載の発明は、バーナ段と空気供給口段は、互いに対向する一対の前後の火炉壁に設けられ、突起物は、前記一対の火炉壁に隣接する互いに対向する一対の側壁内面に一対以上設置されることを特徴とする請求項１記載のボイラである。

請求項３記載の発明は、バーナ段と空気供給口段の間及び／又は空気供給口段と火炉出口の間の火炉側壁内面に、ガス流れを妨げる方向に伸びた突起物を一対以上設置したことを特徴とする請求項２記載のボイラである。

請求項４記載の発明は、火炉壁を構成する水冷壁の一部を、火炉内側に張り出させることによって突起物を形成することを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載のボイラである。

請求項５記載の発明は、火炉壁を構成する水冷壁の内側に金属板を取り付けて突起物を形成することを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載のボイラである。

請求項６記載の発明は、ガス流れを妨げる突起物を、設置する火炉壁の幅全体にわたって及び／又は幅方向に部分的に設置することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のボイラである。

請求項１記載の発明によれば、火炉壁に設置した突起物により、バーナで発生して側壁に沿って上昇する未燃分（ＣＯ、ＶＯＣ）を火炉壁から離れた酸化領域に導くので、未燃分はほぼ完全に酸化され、火炉出口に到達するまでに偏りなく濃度が低下する。また、二段燃焼用空気供給口の配置や各空気供給口の空気量配分を変更する必要がないため、ＮＯｘ濃度の抑制に主眼を置いた最適なボイラ運転を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、突起物が互いに対向する一対の前後壁に設けられたバーナ段と空気供給口段の間に設置されるので、バーナで燃料の燃焼により生成して側壁に沿って上昇する高濃度の未燃分を含んだガスの流れが突起物により上昇を妨げられ火炉の内側方向に向かい、完全燃焼される。

請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて、突起物の設置位置がバーナ段と空気供給口段との間である場合は、未燃分が最寄りの二次燃焼用空気の流れに接触することにより酸化され、ＶＯＣとＣＯの濃度が共に火炉の出口に至るまでに偏在することなく低減される。また、突起物の設置位置が二次燃焼用空気供給口の後流側である場合は、雰囲気の還元性が比較的弱く、腐食が軽くなるため、突起物構成材料の強化処理は不要又は比較的少なくて済む。

請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、突起物を水冷壁の一部を火炉内側に張り出させることによって突起物を形成するので、製作が容易である。

請求項５記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、既設の火炉でも突起物を容易に取り付けることができる。

請求項６記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の効果に加えて、ガス流れを妨げる突起物を火炉壁の幅全体にわたって設けると火炉壁に沿って上昇する未燃分の流れの発生を確実に防止することができる。またＶＯＣ濃度が高くなる火炉壁の中心付近に火炉壁の全幅より小さい幅の突起物を設けることでも未燃分の流れの発生をかなり防止できる。

以下、本発明の実施例を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。

本発明の実施例１を図面と共に説明する。
図１は、本実施例による排ガス中の未燃分を低減するボイラ火炉内の構造を示す側面図（図１（ａ））と正面図（図１（ｂ））である。

火炉１の前後の対向する壁面の下方に複数のバーナ２（二段とは限らない）を配置し、その後流側（火炉１上方）の前後壁に二次燃焼用空気供給口３（一段とは限らない）を配置する。火炉壁に配置する二次燃焼用空気供給口３の数と配置位置は従来技術と同様であるが、前後壁の両側の対向する側壁面には二次燃焼用空気供給口３と同じ高さ、又はそれより少し低い位置に、ガス流れと交わる方向（略水平方向）に伸びた長い突起物１１を設置する。この突起物１１により、バーナ２で燃料の燃焼により生成して側壁に沿って上昇する高濃度の未燃分を含んだガスの流れが上昇を妨げられ、火炉１の内側方向に向かう。その結果、未燃分が最寄りの二次燃焼用空気の流れに接触することにより酸化され、ＶＯＣとＣＯの濃度が共に火炉１の出口４に至るまでに偏在することなく低減される。

この突起物１１は水管壁を火炉１内側に張り出させることにより形成することができるため、製作は比較的容易である。ただし、設置場所が強い還元雰囲気下にあり、灰付着と腐食が厳しくなるため、表面に肉盛あるいは溶射などの強化処理を施しておく。

突起物１１は細長い板状、三角柱状又は半円柱状等の形状とすることができるが、いずれも灰の堆積を防ぐため、上面は火炉１壁側よりも火炉１内部側の方が下がった傾斜面とする。突起物１１の火炉１内側への張り出し高さは、側壁に最も近い空気供給口３と側壁との間隔の１／３〜１／２程度が適当である。

突起物１１の長さは、側壁の幅全体とすることで、側壁に沿って上昇する未燃分の流れの発生を防止することが確実になるが、特にＶＯＣ濃度が高くなる側壁の中心付近に、側壁幅の１／３〜１／２程度の長さで設置しても効果が得られる。

前記実施例１で説明した突起物１１の設置位置は、ＶＯＣの酸化に必要な温度である１０００℃以上、望ましくは１２００℃以上での滞留時間を１．０秒以上確保でき、ガスの流れと交わる方向に長い形状物として設置できれば、上記実施例に示した以外の場所でも構わない。

本発明による排ガス中の未燃分を低減する他の実施例のボイラ火炉内の構造を図２（図２（ａ）は火炉内の側面図、図２（ｂ）は火炉内の正面図）に示す。
本実施例でも、二次燃焼用空気供給口３の数と配置位置は従来技術と同様であるが、二次燃焼用空気供給口３とノーズ部５の間の高さの側壁に、ガス流れと交わる方向に伸びた長い突起物１１を設置する。前後壁面に設けられたバーナ２で生成して側壁に沿って上昇し、二次空気の流れをすり抜けてきた未燃分を含んだガスの流れが、突起物１１により火炉１内側方向に向けられる。

突起物１１が設置された高さ位置の火炉１内において、火炉壁付近はガスのすり抜けによる酸素不足の状態となっているが、二次空気供給後は火炉１全体としての空気量は理論空気量を超えているため、未燃分が側壁から離れた空間に残存している酸素に接触することにより酸化され、ＶＯＣ、ＣＯともに火炉出口４までに偏在することなく低減される。

本発明による排ガス中未燃分を低減する他の実施例のボイラ火炉内の構造を図３（図３（ａ）は火炉内の側面図、図３（ｂ）は火炉内の正面図）に示す。
本実施例でも、二次燃焼用空気供給口３の数と配置位置は従来技術と同様であるが、ノーズ部５の頂点（火炉１内に突き出た先端部）の高さ位置の側壁にほぼ水平方向に伸びた突起部１１を設置する。

この場合は、天井面から吊り下げられた伝熱管群６の下端がノーズ部５の頂点まで達しない火炉、あるいはボイラの前壁（缶前）側の空間に伝熱管群６が設置されていない火炉では、図３に示すように、ノーズ部５の頂点の高さ位置に水平方向に長い突起部１１を設置することが可能である。この位置の側壁はノーズ部５の存在により幅が狭くなっているため、突起部１１の長さを短くでき、経済的である。

この場合の突起物１１は、前述の実施例１、２と同様に、水管壁を火炉１内側に張り出させて形成して、その形状を実施例１、２と同様とする。本実施例による突起物１１の設置位置は、二次燃焼用空気供給口３、３Ａの後流側であるので、雰囲気の還元性が比較的弱く、腐食が軽くなるため、材料の強化処理は不要あるいは実施例１に比較して少なくて済む。
なお、上記実施例１〜３の各突起物１１の配置位置を少なくとの２種類組み合わせて火炉１内に配置してもよい

本発明の上記各実施例の突起物１１として長い金属板を用いて、既設の火炉（二次燃焼用空気供給口３Ａ、３Ｂ、３Ｃのない火炉）に適用することも可能である（図示せず）。その場合、火炉側壁の水管表面にガスの流れを妨げる方向に長い金属板を取り付けることにより、側壁に沿って上昇するガスを火炉中心方向へ流し、未燃分を酸化させることができる。この際、金属板上への灰の堆積を防ぐため、上面が火炉壁側よりも火炉内部側の方が下がるように傾斜面を設ける。金属板の設置位置や腐食対策の強化処置は、前述の各実施例と同様である。ただし、図１に示した突起物１１のように、二次燃焼用空気供給口３付近に金属板を設置する場合は、温度が１６００℃前後と高く、非常に厳しい環境であるため、金属板を水冷式とした方が良い。

上記実施例４の金属板を含めて本発明の上記各実施例におけるガスの流れを妨げる突起物１１の設置数は、左右の側壁に一対だけである必要はなく、未燃分の偏在状況に応じて、高さやサイズを変えて二対以上設置しても良い。

本発明は、排ガス中のＮＯｘの発生量の制御への影響が小さく、ボイラ排ガス中のＶＯＣとＣＯ濃度を低減できるボイラとして利用可能性がある。

本発明による実施例の火炉内の構造を示す側面図（図１（ａ））と正面図（図１（ｂ））である。 本発明による実施例の火炉内の構造を示す側面図（図２（ａ））と正面図（図２（ｂ））である。 本発明による実施例の火炉内の構造を示す側面図（図３（ａ））と正面図（図３（ｂ））である。 従来のボイラ火炉内の構造を示す側面図（図４（ａ））と正面図（図４（ｂ））である。 従来のボイラ火炉内の構造を示す側面図（図５（ａ））と正面図（図５（ｂ））である。 従来のボイラ火炉内の構造を示す側面図（図６（ａ））と正面図（図６（ｂ））である。 バーナ空気比０．８における火炎中のＣＯとＶＯＣ濃度分布を示す図である。 図１〜６に示したボイラ火炉におけるバーナ段上方のａ−ａ’線矢視図である。

符号の説明

１ 火炉 ２ バーナ
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ 二段燃焼用空気供給口
４ 火炉出口 ５ ノーズ部
６ 伝熱管群 ７ 火炎
８ 側壁中心部 11 突起物

Claims (6)

1. 火炉内に空気比を１未満にした一段以上のバーナを設けたバーナ段と、バーナからのガス流れの後流側に一段以上の空気供給口を設けた空気供給口段を有するボイラにおいて、
   バーナ段から火炉出口までの間の火炉壁内面に、ガス流れを妨げる方向に伸びた突起物を１つ以上設置したことを特徴とするボイラ。
2. バーナ段と空気供給口段は、互いに対向する一対の前後の火炉壁に設けられ、突起物は、前記一対の火炉壁に隣接する互いに対向する一対の側壁内面に一対以上設置されることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
3. バーナ段と空気供給口段の間及び／又は空気供給口段と火炉出口の間の火炉側壁内面に、ガス流れを妨げる方向に伸びた突起物を一対以上設置したことを特徴とする請求項２記載のボイラ。
4. 火炉壁を構成する水冷壁の一部を、火炉内側に張り出させることによって突起物を形成することを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載のボイラ。
5. 火炉壁を構成する水冷壁の内側に金属板を取り付けて突起物を形成することを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載のボイラ。
6. ガス流れを妨げる突起物を、設置する火炉壁の幅全体にわたって及び／又は幅方向に部分的に設置することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のボイラ。

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